【正文】 第三部分 基坑降水的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析 摘要 基坑工程快速發(fā)展的今天，作為基坑工程重要組成部分的基坑降水工程自然而然的也要與時(shí)俱進(jìn)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)還是從施工安全角度來(lái)看，對(duì)基坑降水工程的優(yōu)化都有著重要的意義。 由三維數(shù)值模擬模擬發(fā)展而來(lái)的軟件，對(duì)土層水的滲流能做到很好的分析，從而方便了基坑降水方案的優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)法的引入為基坑降水方案的優(yōu)化提供了 一種有效地方法所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”無(wú)非就是考慮通過(guò)何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面 因?yàn)榛咏邓鸪鰳?biāo)準(zhǔn)的沉降，很明顯這是一 對(duì)矛盾，一個(gè)要求盡量降低水位，另一個(gè)要求盡量減少對(duì)原有水文地質(zhì)情況的擾動(dòng)。所謂優(yōu)化就是要在這對(duì)矛盾中尋找一個(gè)平衡，以一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的要求。 關(guān)鍵字 基坑降水；優(yōu)化；數(shù)值模擬； 約束條件； 目標(biāo)函數(shù) 1 緒論 基坑降水工程發(fā)展中的障礙 隨著城市建設(shè)規(guī)模的一步步擴(kuò)大，高層及超高層建筑在基坑工程實(shí)踐中，不可避免的成為基坑降水與開(kāi)挖時(shí)必須考慮的關(guān)鍵。然而基坑周邊受基坑降水的影響程度差異性很大，在不同的施工階段，建筑與以及周邊環(huán)境的變形也有所不同， 時(shí)空效應(yīng)明顯，受影響區(qū)域具有局部性和方向性。與一般均勻地址中的理論分析差別很大。 深基坑降水工程是一項(xiàng) 極其復(fù)雜的 工程， 有很多因素會(huì)對(duì)基坑的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)基坑降水本身就是一個(gè)矛 盾的平衡體，工程中降水沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成基坑底板不穩(wěn)定的問(wèn)題。而降水過(guò)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，又會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不利的影響，如地面的沉降以及建筑物因不均勻沉降發(fā)生開(kāi)裂等等。 由上面可知，基坑降水的程度需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌盐?，綜合考慮基坑工程本身的施工需求以及降水工程對(duì)周圍環(huán)境的 的影響。運(yùn)用系統(tǒng)的成熟的理論方法，統(tǒng)籌基坑的整體與局部、基坑與周圍環(huán)境的關(guān)系，在矛盾以及相互制約中尋求基坑降 水的優(yōu)化方法 [1]。 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 對(duì)于基坑降水理論與方案的研究伴隨著地下工程的大發(fā)展，也在快速的進(jìn)步，取得了一大批重要的成果。 國(guó)外對(duì)于地下水滲流理論的研究起步較早，從 19 世紀(jì)中葉到 20世紀(jì)初，地下水流模擬的研究看是起步，直到 20 世紀(jì) 50年代，對(duì)于含水層和不規(guī)則邊界條件的研究仍然是毫無(wú)進(jìn)展 [18]。 60年代以來(lái)， 利用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下水滲流 情況 進(jìn)行模擬的方法快速發(fā)展起來(lái)，首先興起的二維數(shù)值模擬模型，能夠?qū)螌拥叵滤臐B流進(jìn)行很好地分析，三維滲流模型的建立為各種地下水滲流模擬軟件的發(fā)展提供了理論依據(jù)，耦合模型的出現(xiàn)使地下水的活動(dòng)與地面沉降之間 建立了數(shù)學(xué)上的理論關(guān)系 [19]。 比較典型的是三維滲流模型或準(zhǔn)三維滲流模型包括 R. Bravo（美國(guó)）等做的休斯頓模型和 A. Rivera（法國(guó)）等 做的 墨西哥模型 [2]。 我國(guó) 學(xué)者對(duì) 地下水?dāng)?shù)值模擬的研究起步較晚 ， 但是起點(diǎn)高 ， 周志芳教授、朱宏高教授等人通過(guò)對(duì)具體工程的研究提出了雙層結(jié)構(gòu)變參數(shù)降水理論計(jì)算方法在工程實(shí)踐中取得了良好的效果。在基坑降水與地面沉降變形的模擬計(jì)算中，學(xué)者駱祖江、劉金寶等人建立了三維地下水滲流場(chǎng) 與應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用這種理論方法，可以同步求解出地下水位值以及土體的變形位移量。該理論考慮了土體的 非線性特征及滲透性與應(yīng)力之間的相互影響 ，似的人們?cè)谘芯窟^(guò)程中對(duì)土體變形的刻畫(huà)能夠更切合實(shí)際。 同時(shí)與理論相伴的是各種相應(yīng)分析軟件的出現(xiàn)，如 基于 常密度地下水的三維流動(dòng)基本方程 設(shè)計(jì)的可視化三維地下水流動(dòng)模擬軟件 VisualModflow[17]，該軟件實(shí)現(xiàn)了基坑降水過(guò)程的可視化、預(yù)期化 [3]，在工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用。 基坑降水優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路 總的來(lái)說(shuō)，所謂“ 優(yōu)化設(shè)計(jì) ”無(wú)非就是考慮通過(guò)何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面 因?yàn)榛咏邓鸪鰳?biāo)準(zhǔn)的沉降， 很明顯這是一 對(duì)矛盾，一個(gè)要求盡量降低水位，另一個(gè)要求盡量減少對(duì)原有水文地質(zhì)情況的擾動(dòng)。 所謂優(yōu)化就是要在這對(duì)矛盾中尋找一個(gè)平衡，以一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo) 作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的要求。這個(gè)目標(biāo)可以盡量減少周圍地面的沉降也可以成本最低等等。 2 基坑降水的作用以及影響因素 基坑降水的作用 基坑降水方案的合理與否直接決定著整個(gè)基坑工程的成敗，其對(duì)于基坑工程的作用可見(jiàn)一斑。降水工程在基坑工程 中的主要作用如下 [4]： （ 1）地下水位降低以 后，降低了基坑內(nèi)外滲透水頭差，從而把滲透水里梯度控制在合理范圍內(nèi) ，能夠消除 滲透力的影響 ,防止流沙的產(chǎn)生 。 （ 2）地下水位的下降，對(duì)于降水范圍內(nèi)的土層，其含水量因?yàn)榻邓@著減小，容量從浮容重度提高到飽和容重，從而這部份土層發(fā)生固結(jié)，土體的各項(xiàng)工程指標(biāo)得到改善，抗剪強(qiáng)度得到增強(qiáng)， 減少土中孔隙水壓力 ,增加土中有效應(yīng)力。 （ 3） 基坑降水使土層發(fā)生固結(jié)作用，從而降低了土層的水含量和孔隙率，這樣就能減少甚至杜絕基坑坡面和基底的深水，對(duì)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)也是一種保護(hù)。這樣工程施工能有一個(gè)更有利的環(huán)境，也能防止工程事故的發(fā)生。 （ 4） 對(duì)于基坑工程而言，基坑降水是減少土體含水量的有效方法，從而能夠改善土體的性能指標(biāo)。不論對(duì)于放坡開(kāi)挖的基坑還是支護(hù)開(kāi)挖的基坑，都可以有效地提高施工條件。在放坡開(kāi)挖的基坑中，由于土體固結(jié)，使邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高。對(duì)于支護(hù)開(kāi)挖的基坑，土層的固結(jié)，可顯著提高被動(dòng)區(qū)的被動(dòng)抗力，從而也使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到大大提高。 方案選擇 的影響因素 基坑降水方案的確定主要由施工場(chǎng)地的 水文地質(zhì)條件、 基坑的開(kāi)挖 和 圍護(hù)方案 來(lái)確定，降水方案要整體與局部相結(jié)合，綜合考慮各方面因素，方案的選擇要達(dá)到綜合效益的最大化。 降水方案的選擇主要受一下條件的制約。 場(chǎng)地條件 任何施工方法都是 以施工對(duì)象為服務(wù)對(duì)象的，也就 是說(shuō)作為基坑降水方案服務(wù)的對(duì)象的施工場(chǎng)地才是一切問(wèn)題考慮的中心。場(chǎng)地本身的條件是我們制定具體降水方案的原始條件，場(chǎng)地的條件包括 場(chǎng)地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以及周圍的環(huán)境包括周圍已建建筑物距離基坑的距離、建筑物的體量，還有周圍地下分布的管線等這些都是 降水方案選擇是不可 忽略的 影響因素 [5]。 當(dāng)然 基坑本身的開(kāi)挖尺寸以及分布 等自身?xiàng)l件以及 相關(guān)的規(guī)范要求等等 。綜合這些因素，統(tǒng)籌進(jìn)行考慮，才能確定基坑降水所用的方案。 地質(zhì)情況 基坑場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況對(duì)于降水方案的選擇是極其重要的，施工場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況包含多方面的 內(nèi)容，這些土層的地質(zhì)工程資料決定著基坑降水方案的選擇。個(gè)人認(rèn)為由地質(zhì)情況決定降水方法的這一問(wèn)題上，沒(méi)有太多優(yōu)化的點(diǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)代降水方法已經(jīng)較為成熟，對(duì)于不同的地質(zhì)情況也都有了基本較為適用的方法 ，真正的難點(diǎn)在于工程地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性 。降水方法的選擇在工程地質(zhì)層面上，現(xiàn)在基本考慮的最重要的因素就是土層的滲透性， 然而土層的滲透性在同一場(chǎng)地的不同深度不同地點(diǎn)，甚至在不同氣候條件下也往往是不同的，具有極強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)， 一般的工程地質(zhì)資料提供的土層滲透性往往具有很大的誤差，只能作為參考，現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)才是確定降水方案的必要途徑。 場(chǎng)地地下水情況 基坑降水方案的設(shè)計(jì)，不言而喻，當(dāng)然要考慮場(chǎng)地地下水的情況， 再對(duì)降水方案進(jìn)行確定。地下水主要分為 潛水和承壓水兩種 [6]。對(duì)于基坑工程來(lái)說(shuō)，各部分需要的關(guān)注的點(diǎn)不同。在工程實(shí)踐中，基坑底板最常見(jiàn)的是發(fā)生突涌等 工程事故，這種工程事故的產(chǎn)生就與分布于不透水層之間的承壓 水有著直接的關(guān)系，承壓水液面與自由水頭之間較大的水頭差，有時(shí)能將基 坑底板擊穿，從而發(fā)生基坑底板突涌滲流等工程災(zāi)害?；又車孛娴某两狄约敖ㄖ锇l(fā)生的沉降及不均勻沉降主要與地下潛水的擾動(dòng)有很大關(guān)系。地下水另一個(gè)需要著重考察的情況是補(bǔ)給水源的情況，包括補(bǔ)給水源的位置、距離基坑的距離、水源的大小等等，因?yàn)槭沁x擇坑內(nèi)降水還是坑外降水 方法需要考慮補(bǔ)給水源的問(wèn)題。 綜合來(lái)看， 為了確定較為準(zhǔn)確的基坑降水方法，首先要有較為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料，即透水土層以及不透水層的位置，這樣可對(duì)潛水及承壓水的位置和分布有個(gè)較為準(zhǔn)確的掌握。同時(shí)查明補(bǔ)給水源的相關(guān)資料，大的補(bǔ)給水源的存在對(duì)于基坑降水來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直 就是災(zāi)難，可能造成基坑降水完全無(wú)效。 3 基坑降水分析的理論方法 解析法（以地下水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)） 傳統(tǒng)的解析法 主要 包括 有“ 大井”法、疏干法等 [4]。 解析法運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)對(duì)基坑降水相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這在早期的不太復(fù)雜的基坑降水工程中還能適用，但在基坑 降水條件日益復(fù)雜的今天，已經(jīng)很難再使用了。 解析法中最為常用的就是“大井法”，該方法簡(jiǎn)單易懂，對(duì)于簡(jiǎn)單基坑降水的設(shè)計(jì)計(jì)算基本適用。大井法的主要思想就是將